专利名称：大型汽轮机钛合金长叶片精锻工艺及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于热加工领域，涉及到大型汽轮机长叶片精锻工艺及装置的改进。
国内精锻大型汽轮机钛合金长叶片还没有先列;国外精锻大型汽轮机钛合金长叶片的工艺方法及所用的设备和装置是在工艺方面①将钛合金坯料加热到相变点以下40℃左右进行模锻，即所谓常规锻造。用常规锻造方法生产钛叶片，不仅锻造温度低、可锻温度范围窄、变形抗力大而使叶身边缘与叶片根部(叶身和榫头交界处)由于温降而容易锻裂;而且常规锻造的钛叶片其抗腐蚀性较差。所以，有些国家如日本三菱重工和神产钢铁公司曾采用β锻造，即将Ti-6Al-4V钛合金坯料加热到相变点以上20-30℃甚至更高的温度下进行模锻。β锻造能提高材料的成型性能和改善低温锻造对裂纹的敏感性，也有利于改善钛叶片的抗腐蚀性和断裂韧性，但β锻造显著降低塑性和疲劳性能。因此，对于长寿命使用并有振动要求的长叶片来讲，β锻造并非是合理的，可取的锻造方法。②、对于榫头和叶身横截面上的厚度相差最大约15倍的长叶片，为了防止锻造和冷却引起叶身边缘和叶片根部(叶身和榫头交界处)开裂和榫头与叶身变形量过于悬殊而影响组织性能。同时为了简化工艺，国外汽轮机大叶片生产一般采用锻造和焊接相结合的方法，即将榫头在氩气保护的钨惰性气体中与精锻叶片(叶身)焊成整体，这实质上是精锻与焊接工艺的组合，显然增加了工艺的复杂性和精锻的局限性。
在设备和模具装置方面国外主要在压力机上锻造，利用模具上设置的导柱和导套减少错移以保证精锻生产叶片的尺寸精度。美国也有在高速锤上采用闭式模锻生产大型汽轮机用Ti-6Al-4V钛叶片的。由于未找到合理的工艺方法，因此，无论在压力机或锤上锻造，因弹性回跳、冷却和热处理引起的叶片扭曲和型面变形问题没有很好解决。
本发明的目的是给出一种精锻大型汽轮机钛合金长叶片的新的工艺方法和用于模锻锤上的模具结构。由于技术上的创新，叶身和榫头一体锻成，并且解决了叶片错移、低温断裂、弹性回跳、冷却和热处理引起的叶片扭曲和型面变形问题，从而提高了叶片的形状精度和尺寸精度，只需少量打磨、抛光便可装机使用。由于制坯和粗锻工步的合理设计，叶片各部位的性能完全满足技术条件。
本发明的技术解决方案是，在模锻锤上，采用全封闭、单边间隙、深止动扣的开式模锻结构;工艺上采用在相变点以下20℃加热的近β锻造，并在粗锻和精锻之间采用中间切边工步，最后在热处理后在模内进行低于热处理退火温度20℃加热的低温保压校正。
附图
一为一种实现本发明方法的模具装置。其中①为上模，②为止动扣，③、⑤为单边间隙，④为下模，⑥为毛边仓部，⑦为毛边桥部，⑧为叶片型腔，⑨为灌铅槽，⑩为钳口。
附图一所示的模具装置，在上下模块①、④上制作了全封闭、单边间隙和深止动扣的模具结构，其止动扣的高度大于坯料(榫头部位)的最大厚度，以能保证上模接触坯料产生塑性变形之前已进入下模止动扣内为准，止动结构根据叶片型面扭角引起的水平分力的方向分段设计成纵向单边间隙(如附图一A-A、B-B剖面所示)。采用这样的模具装置及本发明的工艺方法即可实现在模锻锤上对大型汽轮机钛合金长叶片的精锻。本说明书末的附表1至附表7给出了在63吨·米对击锤上对710(毫米)大型汽轮机末级Ti-6Al-4V钛合金长叶片进行整体精密锻造的技术数据，可以看出叶片各部位的性能完全满足技术条件，达到了本发明的目的。
本发明装置及工艺的技术特点在于在装置方面为防止模具打击过程中由于叶片型面扭角引起的水平分力使模具发生纵向和横向错动而叶片错移，本装置设计成全封闭止动扣，而且纵向止动扣根据型面扭角产生水平错移力的方向而设计成单边间隙(如附图一A-A、B-B剖面所示)，这样可保证错移量最小，从而提高了叶片的尺寸精度。本装置的另外一个特点是，止动扣的高度大于坯料(榫头部位)的最大厚度，并使上模在接触坯料发生塑性变形之前已进入下模止扣内(见附图一)。因此，止动扣不仅起了止动错移的作用，同时具有导向作用，进而提高了叶片的精度。
在工艺方面(1)、将坯料加热到该材料的相变点下20℃锻造，即所谓近β锻造。这样做的好处有以下四点①、提高加热锻造温度可以减少组织中初生α相的含量，从而解决了榫头部位变形量小而强度低的问题;②、减小变形抗力，经实测证明近β锻造约为常规锻造变形抗力的1/3-1/2，从而有效地提高了设备的利用能力;③、改善材料的填充性和叶片成型性能;④、提高加热锻造温度可以解决锻造过程中因温降引起叶片进排气边缘和根部低温锻裂问题和减小弹性回跳问题。(2)、采用中间切边工步，即在粗锻和精锻之间，利用锻后余热切除粗锻产生的毛边。这样做的好处有①、减小终锻变形抗力;②、保证叶片垂直方向上的尺寸精度，这是实现精密模锻的关键。(3)、叶片在800℃退火处理后，将叶片重新加热到退火温度以下20℃保温30分钟，然后放在精锻模内保压2-3分钟，即所谓低温保压模内校正。这样的校正方法，一是可以校正锻造、冷却和热处理造成的叶片扭曲和型面变形，二是可以减轻和消除叶片校正后因弹性回跳引起的再变形。保压校正是保证叶片形状精度的关键。
本发明实施方便，工艺稳定、可靠，用本发明生产的Ti-6Al-4V钛合金大型汽轮机末级710(毫米)长叶片拟在20万千瓦汽轮机组上挂片运行。
本发明的方法适用于(α+β)两相钛合金，还可推广应用于α型、近α型和近β型钛合金。
附表三
权利要求
1.一种在模锻锤上，采用开式模锻精锻大型汽轮机钛合金长叶片的工艺方法，其特征是采用全封闭、单边间隙、深止动扣的模具结构，工艺上采用在相变点以下20℃加热的近β锻造，并在粗锻和精锻之间采用中间切边工步，在最后热处理后，在模内进行低于热处理退火温度20℃加热的低温保压校正。
2.一种实现权利要求1的由上下模块组成的装置，其特征是在上下模块上制作全封闭、单边间隙和深止动扣的模具结构，其止动扣高度务需保证上模接触坯料产生塑性变形之前已进入下模止扣内，止动结构根据叶片型面扭角引起的水平分力的方向分段设计成纵向单边间隙。
全文摘要
一种大型汽轮机钛合金长叶片的精锻工艺及装置，是采用全封闭、单边间隙、深止动扣的模具结构，工艺上采用在相变点以下20℃加热的近β锻造，并在粗锻和精锻之间采用中间切步工步，在最终热处理后，在模内进行低于热处理退火温度20℃加热的低温保压校正。采用本工艺及装置，可在模锻锤上实现对大型汽轮机钛合金长叶片的整体精锻，产品只需少量打磨、抛光便可装机使用。
文档编号B21K3/04GK1048994SQ89107858
公开日1991年2月6日 申请日期1989年10月18日 优先权日1989年10月18日
发明者徐好义, 周义刚, 张恒毕, 黄连聪, 张伯录, 杜水仙, 刘润农, 俞汉清, 姜文玉, 仵树文, 熊松生, 张德安, 郭培仁 申请人:航空工业部红原锻铸厂, 西北工业大学